一種新型自動砂輪切割機的設(shè)計與研究

□ 陳 暉 □ 王煥峰 □ 田新昊

東北林業(yè)大學 機電工程學院 哈爾濱 150040

材料切割是加工方式中不可或缺的，不同時代對切割機提出不同的加工要求。目前使用的切割機主要是針對金屬切割，切割模式單一，切割過程中需要操作人員憑經(jīng)驗掌控，造成切割效率較低［1］。為滿足加工需要，制造設(shè)計了新型自動化切割機，從而滿足切割速度快、切割質(zhì)量好、切割成本低、切割數(shù)量大的需要。

1 基本構(gòu)成

自動化切割機由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，機械系統(tǒng)主要由切割機構(gòu)、進給機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、夾具、冷卻系統(tǒng)和機體等組成［2］；控制系統(tǒng)采用PLC與單片機相結(jié)合的控制方式。機械系統(tǒng)總成如圖1所示。

1.1 切割機構(gòu)設(shè)計

切割機構(gòu)中主電機放置在轉(zhuǎn)動機架平臺上，主電機選擇三相異步電動機，通過膠帶傳動和齒輪傳動，驅(qū)動砂輪實現(xiàn)切割工作。一對耳座分別安裝在轉(zhuǎn)動機架和基座機體上，連接耳座的是電動螺桿伸縮機構(gòu)［3］。利用伸縮機構(gòu)，改變伸縮連桿長度，使切割砂輪實現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)運動。

▲圖1 機械系統(tǒng)總成

為適應(yīng)多種材料的切割需要，主電機需要輸出不同的切割轉(zhuǎn)速，可以應(yīng)用PLC對主電機進行變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)主電機轉(zhuǎn)速在200～3 000 r/min的轉(zhuǎn)換。伸縮機構(gòu)通過控制電動螺桿電機，實現(xiàn)伸縮連桿長度的變化，從而改變切割過程中砂輪片與工件之間的相迎角。自動化切割能夠大幅降低操作人員的勞動強度，切割質(zhì)量不再僅僅依靠操作人員的經(jīng)驗，減少了由操作失誤造成的不必要浪費。

1.2 整體構(gòu)成

進給機構(gòu)由工作平臺、橫向進給機構(gòu)和縱向進給機構(gòu)組成，工作臺為梯形槽工作臺，在梯形槽上可以安裝各種夾具，通過夾具夾緊工件［4］。針對不同型材和不規(guī)則形狀工件，設(shè)計不同的夾具，這樣既能保證合理夾緊工件，又能保證夾緊效果。

絲杠螺母機構(gòu)實現(xiàn)工作臺的橫向和縱向進給，橫向和縱向步進電機為工作臺進給提供動力。其中縱向步進電機與軸承座固定在機架上，該電機與減速器連接進行減速，使工作臺能以所需速度在直線導軌上縱向直線行進。橫向步進電機和軸承座固定在工作臺上，橫向步進電機通過聯(lián)軸器與橫向絲杠螺母機構(gòu)連接，橫向進給主要實現(xiàn)被切割工件與砂輪片的對刀。通過PLC控制橫向和縱向步進電機的進給，實現(xiàn)對工作臺位置的控制以及實現(xiàn)切割過程中工件的進給。

冷卻系統(tǒng)主要由噴頭、防護罩、導管、閥門、水泵、過濾網(wǎng)、儲液槽、循環(huán)儲液箱組成，冷卻系統(tǒng)不但可以實現(xiàn)在切割中對工件的冷卻，在加工完成后，還可實現(xiàn)對工作臺和工件進行清理，其工作流程如圖2所示。

用開關(guān)元件控制冷卻水泵的開啟與關(guān)閉，冷卻液的流速可以通過閥門旋鈕設(shè)定。冷卻工件后的冷卻液通過儲液槽回收，再通過導管回流到儲液箱進行循環(huán)利用。通過過濾網(wǎng)過濾掉切屑，一些小的殘渣進入儲液槽也會沉積到底部，方便清理。

▲圖2 冷卻流程圖

1.3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)采用PLC與單片機相結(jié)合的方式，控制框圖如圖3所示。控制系統(tǒng)以PLC為核心，單片機作為顯示和輸入模塊，兩者通過串行通信，PLC主要解決數(shù)據(jù)處理和運行自動控制的問題，單片機顯示和輸入模塊由單片機、顯示電路、功能鍵盤、看門狗復(fù)位電路、電平轉(zhuǎn)換器等幾部分組成。系統(tǒng)正常工作時，單片機將設(shè)定的砂輪轉(zhuǎn)速、橫向進給速度、縱向進給速度、切割砂輪上下進給速度、切割量、切割工件參數(shù)、選擇切割的模式等信息通過RS-232接口與PLC進行通信，為保證單片機與PLC的正常通信，需要保證單片機的通信參數(shù)與PLC一致。

PLC按照用戶選擇的參數(shù)和切割方式對變頻器和步進電機驅(qū)動器發(fā)出控制信號，使工作臺、旋轉(zhuǎn)機架、砂輪片協(xié)調(diào)運動，進而完成切割任務(wù)。PLC的輸出端與變頻器和步進電機驅(qū)動器的輸入端相連，由模擬量I/O單元輸出的電壓信號控制變頻調(diào)速器的輸出頻率，達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。PLC為步進電機提供脈沖信號和電平信號，脈沖的個數(shù)決定了步進電機的轉(zhuǎn)動速度，控制脈沖信號的頻率就能控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，電平信號控制步進電機正向和反向旋轉(zhuǎn)，通過這兩種信號來控制步進電機精確調(diào)節(jié)工作臺和砂輪片的位置和進給速度。

▲圖3 控制框圖

2 應(yīng)力分析

切割機切割是砂輪片與工件的相對運動過程，砂輪片一般厚度較小，理想工作狀態(tài)是：在砂輪片切割過程中不考慮砂輪兩側(cè)面對切割材料截面的磨削作用，只考慮砂輪片圓周面切削過程。建模的砂輪片為切割機支持的最大規(guī)格砂輪片250 mm×1.2 mm×32 mm。首先建立砂輪片和被切割工件的三維幾何模型，將三維模型導入到ANSYS中進行網(wǎng)格劃分，由于砂輪主要由磨粒和結(jié)合劑組成，磨粒的分布無規(guī)律可循，將兩者視為均質(zhì)整體，并對砂輪片采用映射網(wǎng)格式網(wǎng)格劃分，砂輪片網(wǎng)格劃分的單元等分段數(shù)為2 mm，單元個數(shù)為287 920。工件作為接觸部件采用分段式網(wǎng)格劃分法，在接觸區(qū)的網(wǎng)格尺寸為0.3 mm，過渡區(qū)域為1 mm，不接觸區(qū)的劃分尺寸為50 mm，單元數(shù)為176 120。砂輪片和工件的有限元模型如圖4所示，圖中砂輪片為金剛石砂輪（粒度 46#，硬度 Q），彈性模量 E=1 050 GPa，泊松比ν=0.07，密度 ρ=3 520 kg/m2。

引入實際工作情況對模型施加約束，切割方向為Y向，繞Z軸旋轉(zhuǎn)，工件進給速度為5 mm/s，旋轉(zhuǎn)速度為5 000 r/min，接觸類型為面面接觸。采用其他學者研究切割切削力的經(jīng)驗公式［7］為：

▲圖4 砂輪片和工件的有限元模型

式中：Ft為切向力；Fn為法向力；K為剪切變形阻力系數(shù)；vw為進給速度；vs為砂輪轉(zhuǎn)速；α為工件與砂輪的相迎角。

根據(jù)式（1）、式（2）計算所得載荷以均布載荷的形式加載到有限元模型上，然后求解，得到線速度為v=45 m/s、相迎角α=10.5°的砂輪片在正常工作下的應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5(a)為砂輪片受離心力作用的等效應(yīng)力等值線分布，此種情況發(fā)生在砂輪片空轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)力在內(nèi)孔處達到最大，隨著半徑的增加而減小，在砂輪片邊緣為最小。

圖5(b)為砂輪片受切割力作用的徑向應(yīng)力等值線分布，在假定切割力參數(shù)的作用下，可得出在受到徑向切削力作用時的砂輪片應(yīng)力分布，在相迎角的延長線與工件相交的位置處最大，隨著遠離相交位置應(yīng)力逐漸減小。

▲圖5 正常工作下砂輪片的應(yīng)力分布圖

圖5 (c)為砂輪片受切割力作用的切向應(yīng)力等值線分布，切向應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置與徑向應(yīng)力出現(xiàn)最大值位置相同，隨著受力距離的漸遠，切向應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力分布與相迎角有關(guān)。

圖5(d)為砂輪片受切割力作用的等效應(yīng)力等值線分布，在砂輪片受力點應(yīng)力最大，并向內(nèi)徑延伸，應(yīng)力值逐漸變小，應(yīng)力呈現(xiàn)帶狀式分布。

圖5(e)為改變了部分加工參數(shù)后砂輪片受切割力作用的等效應(yīng)力等值線分布，將線速度調(diào)整為55m/s、相迎角調(diào)整為 14.5°，其它參數(shù)不變。通過圖5(d)與圖5(e)的對比，可以得出隨著相迎角和線速度的增大，在切削力作用下的應(yīng)力變化范圍有一定增加，應(yīng)力分布漸變的角度也發(fā)生變化，增大相迎角使砂輪片受到的切向力和徑向力也增加，這樣使砂輪的應(yīng)力相應(yīng)變大，砂輪片的破壞趨勢愈加明顯，切割頭的旋轉(zhuǎn)角度需要控制在一定的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，以免造成砂輪過度損壞。

圖5(f)為砂輪片受切割力與離心力共同作用的等效應(yīng)力等值線分布，應(yīng)力分布主要體現(xiàn)離心力作用下的應(yīng)力分布特點。相比于離心力，切削力對砂輪片應(yīng)力分布影響局限在切割位置附近，其應(yīng)力值也遠遠小于離心力作用的應(yīng)力值，所以在正常切割過程中，應(yīng)該考慮的是如何避免切削過程中離心力可能產(chǎn)生的破壞影響。

［1］ 北京欣斯達特控制技術(shù)有限公司.我國數(shù)控切割機制造業(yè)發(fā)展格局及趨勢［J］.機床與液壓，2011（23）.

［2］ 劉雪峰.基于PLC的異步電動機綜合控制系統(tǒng)設(shè)計 ［J］.科技風，2013（8）.

［3］ 黃楚芳，陳鴻.步進電機加減速控制器的設(shè)計 ［J］.山西電子技術(shù)，2009（1）.

［4］ 崔鐵慶.節(jié)能環(huán)保型切割機設(shè)計與研究［D］.保定：河北農(nóng)業(yè)大學，2011.

［5］ 郁有文，常健.傳感器原理及工程應(yīng)用［M］.西安：西安電子科學技術(shù)大學出版社，2007.

［6］ 毛謙敏，吳洪潭.單片機原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［7］ 張玉寶，汪建新.砂輪切斷機力能參數(shù)的實驗研究［J］.包頭鋼鐵學院學報，1996（2）.